李揚(yáng)/欒慶先合作揭示E2A調(diào)控人胚胎干細(xì)胞早期分化方向的機(jī)制

2020年11月3日，北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院李揚(yáng)課題組與北京大學(xué)口腔醫(yī)院欒慶先課題組合作在Development(Yi SQ, Huang XT, Zhou SX, et al. E2A regulates neural ectoderm fate specification in human embryonic stem cells. Development, 2020, 147(23): 190298. https://dev.biologists.org/content/early/2020/11/03/dev.190298)上報(bào)道了E2A蛋白調(diào)控人胚胎干細(xì)胞早期分化的方向選擇及其機(jī)制。該研究加深了目前對于E2A蛋白相關(guān)調(diào)控的認(rèn)識，也部分解釋了E2A與E蛋白家族成員參與人胚胎干細(xì)胞早期分化的調(diào)控機(jī)制，為優(yōu)化人胚胎干細(xì)胞定向分化誘導(dǎo)提供了參考依據(jù)。

近年來，人胚胎干細(xì)胞在組織工程及組織再生領(lǐng)域的應(yīng)用引起了研究者廣泛關(guān)注，但是仍存在分化方向難以控制及誘導(dǎo)效率低下的問題，限制了其在再生領(lǐng)域的應(yīng)用。這就要求科研工作者對人胚胎干細(xì)胞分化調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)機(jī)制進(jìn)一步的了解和研究。同時(shí)人胚胎干細(xì)胞也是研究人早期胚胎發(fā)育的理想模型。E蛋白家族是Ⅰ型bHLH轉(zhuǎn)錄因子，包括HEB、E2A和E2-2共3個(gè)成員分子。E蛋白家族成員在小鼠的免疫細(xì)胞發(fā)育中發(fā)揮重要作用，然而E蛋白在人胚胎干細(xì)胞分化中的功能及調(diào)控機(jī)制知之甚少。李揚(yáng)課題組2017年揭示了HEB在人胚胎干細(xì)胞中胚層及造血發(fā)育分化中的重要功能，并解析了其發(fā)揮功能的作用機(jī)制，然而，E蛋白家族另外兩個(gè)成員分子E2A和E2-2在人胚胎干細(xì)胞發(fā)育分化中的功能及作用機(jī)制尚待明確。

本研究報(bào)道了E2A可以參與人胚胎干細(xì)胞的早期分化方向的選擇調(diào)控，與HEB可以促進(jìn)中胚層分化調(diào)控不同，E2A可以促進(jìn)人胚胎干細(xì)胞向神經(jīng)外胚層方向分化。而在分化的過程中，E2A可通過直接調(diào)控神經(jīng)分化相關(guān)基因的表達(dá)同時(shí)抑制Nodal信號通路的活性來促進(jìn)人胚胎干細(xì)胞神經(jīng)外胚層分化。

本研究首先通過CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建了E2A敲除的人胚胎干細(xì)胞模型，并分別通過體內(nèi)畸胎瘤形成和體外定向分化等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)E2A敲除的人胚胎干細(xì)胞神經(jīng)外胚層分化受阻。進(jìn)一步通過RNA-seq和ChIP-seq高通量測序的方法揭示了E2A可通過直接調(diào)控神經(jīng)分化的靶基因和調(diào)控NODAL信號通路兩種方式參與人胚胎干細(xì)胞神經(jīng)外胚層分化的調(diào)控。由于E2A的功能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的環(huán)境依賴性，研究者推測其在神經(jīng)外胚層分化的過程中可與PRC2復(fù)合體相結(jié)合來調(diào)控NODAL信號通路的活性，并進(jìn)一步通過Co-IP及ChIP-seq等研究方法揭示在野生型胚胎干細(xì)胞分化的過程中，E2A可通過與PRC2結(jié)合抑制NODAL信號通路激活劑CRIPTO的表達(dá)，進(jìn)一步揭示了E2A與NODAL信號通路之間的關(guān)系。研究者還通過構(gòu)建E2A/HEB雙敲除的人胚胎干細(xì)胞系發(fā)現(xiàn)E2A/HEB雙敲除細(xì)胞表現(xiàn)出更為嚴(yán)重的神經(jīng)分化受阻的表型，為E蛋白成員之間的相互作用提供了依據(jù)。